宇宙中能搭建无限房子吗 科学家用这种方式照亮鸟巢

要想照亮鸟巢，需要多少个LED灯？

当然，这里的鸟巢不是说小鸟自己筑的巢，而是中国国家体育场。为了保证观众观看比赛的视觉体验，同时还要满足能够记录下比赛精彩瞬间的要求，体育场馆对亮度的要求很高。

目前的体育馆使用什么灯照明？要照亮如此巨大的体育场馆，会不会很费电？是否有更节能的照明方式呢？

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图片来源：国家体育馆-鸟巢官网

Part. 1

亮的数据初体验

要想体会体育场馆照明的特殊之处，首先需要我们对“亮”有一个量化的认识。在现实生活中，我们对“亮”的需求十分多样化。从最常见的日光灯到手术台上齐哇哇的聚光灯，从上演爱恨情仇的大银幕到夜幕降临五颜六色的闪烁霓虹，我们早已习惯了各式各样的光源，习惯了这个世界的流光溢彩。那我们如何来衡量“亮”呢？准确来讲，“亮”其实是一种感受，不能用于计量，因此需要引入光通量和光照强度的概念来理解亮。

光通量代表光源发光的总量，单位是流明（lm）。光通量除以面积就是照度，照度反映出被照表面的照明程度，单位是勒克斯（lux）。举个例子，家里客厅地面上的照度为100-200lux。而转播体育比赛时，为了让场边或电视机前的观众能看清快速移动的运动员和足球，场地上平均照度要求在2000lux以上。

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据调查显示，目前体育场馆多采用传统高强度气体放电灯——金卤灯进行照明，功率高达1000-2000W，虽然能够达到照亮场馆的要求，但如此高的功率必然意味着极高的耗电量。以鸟巢为例，其体育场照明采用了594盏2000W金卤灯，每小时耗电1188度。

除了耗电量大，金卤灯还有个致命的弱点——点亮时间长。一旦比赛中途断电，其再次点亮所需冷却时间可能长达十几分钟。这在分秒都不能出错的电视转播中是完全不允许的。

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Part. 2

隆重请出：LED灯

那有没有一种灯在实现高照度的情况下，同时节能又能瞬时点亮呢？确实有，它的名字叫发光二极管，也就是常说的LED灯。LED是一种利用半导体PN结把电能转换为光能的半导体器件，PN结是其发光的核心区域，由P型层和N型层构成，P型层提供空穴，N型层提供电子。

而这里的P型层的空穴，是指固体物理学中共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现象。即共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴。

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LED灯发光原理示意图

图片来源: 百度百科

在外加电场的作用下，空穴和电子被注入到PN结发生复合，多余的能量以光的形式释放出来，从而就能观察到PN结发光。总的来说，LED灯就是依靠电子和空穴碰撞产生光子来发光的。因为电能转化为光能的效率较高，且灯管的使用寿命较长，所以LED灯既能提供高亮度，相比于金卤灯还有省电节能的优点。是不是有那么一点点优秀？

Part. 3

光有LED灯还不够，再来点贴装

虽然LED灯既节能又能提供高亮度，但是单颗LED芯片尺寸非常小，只有1mm见方，尺寸和一粒小米相当，且功率也只有1W左右。为了使得LED芯片实现500W甚至1000W的超大功率，我们需要对其进行封装。目前大功率照明的封装结构，主要有表面贴装SMD和板上芯片COB两种。

SMD是对单颗LED芯片进行独立封装，然后再将多颗SMD灯珠集成到PCB板上形成大功率LED模组的封装方式。其优点是可以根据灯具外形设计PCB板形状，并按要求组合成所需功率。

不过，这种方式也存在一个缺点，那就是每颗灯珠都是一个发光点，多点照明会产生重影。而且灯珠之间都有相当大的间距，这就导致如果体育场馆使用SMD集成式的大功率LED灯，灯的体积和重量就会非常大。NO,NO,NO，我们还是选择场地大一点吧。

SMD封装示意图

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来源： 中科院高能所